科學(xué)本質(zhì)觀：發(fā)揮科學(xué)教育育人價(jià)值的關(guān)鍵①

馮華

摘要學(xué)生對(duì)于科學(xué)本質(zhì)的理解是構(gòu)成科學(xué)素養(yǎng)的重要方面。教師深刻理解科學(xué)知識(shí)本質(zhì)、科學(xué)探索本質(zhì)，才能在教學(xué)中凸顯科學(xué)的屬性，幫助學(xué)生通過學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)認(rèn)識(shí)科學(xué)的本質(zhì)，提升科學(xué)素養(yǎng)，充分發(fā)揮科學(xué)領(lǐng)域各學(xué)科教育價(jià)值?；诳茖W(xué)本質(zhì)的科學(xué)教學(xué)，要教科學(xué)而非常識(shí)，要教學(xué)生與物對(duì)話、與材料合作、與自然交流，讓學(xué)生在研究自然的過程中產(chǎn)生好奇并提出問題。

關(guān)鍵詞學(xué)科育人；科學(xué)教育；科學(xué)素養(yǎng)；科學(xué)知識(shí)本質(zhì)；科學(xué)探索本質(zhì)；科學(xué)創(chuàng)造

中圖分類號(hào)G63

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼B

文章編號(hào)1002-2384（2019）11-0015-03

國(guó)際科學(xué)教育界普遍認(rèn)為，學(xué)生對(duì)于科學(xué)本質(zhì)的理解是構(gòu)成科學(xué)素養(yǎng)的重要方面。我國(guó)中小學(xué)科學(xué)教師一般都經(jīng)過物理、化學(xué)、生物、地理等學(xué)科的分科學(xué)習(xí)，他們往往習(xí)慣于從本學(xué)科的知識(shí)體系理解科學(xué)，擅長(zhǎng)講授具體知識(shí)，但缺乏從科學(xué)本質(zhì)的高度思考本學(xué)科教學(xué)內(nèi)容的意識(shí)和能力。以我國(guó)中學(xué)物理教師為例，調(diào)查顯示：該群體對(duì)于科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)尚處于較低水平。[1]教師對(duì)于科學(xué)本質(zhì)理解的不足，必然會(huì)弱化科學(xué)學(xué)科的教育價(jià)值。因此，中小學(xué)科學(xué)教師要真正加深對(duì)于科學(xué)本質(zhì)的理解，思考如何在教學(xué)中以知識(shí)為載體，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)的本質(zhì)，提升科學(xué)素養(yǎng)。

對(duì)于科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，包括對(duì)于科學(xué)知識(shí)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)、對(duì)于科學(xué)探索本質(zhì)的認(rèn)識(shí)和對(duì)于科學(xué)事業(yè)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。[2]本文根據(jù)筆者多年來(lái)對(duì)科學(xué)教師教學(xué)實(shí)踐的觀察，探討教師應(yīng)該如何加強(qiáng)對(duì)于科學(xué)知識(shí)和科學(xué)探索本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。

1. 科學(xué)知識(shí)依靠證據(jù)并在新的證據(jù)下不斷被修正

科學(xué)知識(shí)需要證據(jù)判定，科學(xué)知識(shí)的證據(jù)來(lái)源于自然環(huán)境或?qū)嶒?yàn)室。為了獲取證據(jù)，科學(xué)家不僅通過身體感官，還制造并利用儀器增強(qiáng)辨別力，用以擴(kuò)大人類觀察的視野，發(fā)現(xiàn)人的自身辨別力尚無(wú)法發(fā)現(xiàn)的自然特性，獲取更加豐富的證據(jù)。從伽利略發(fā)現(xiàn)自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律到牛頓提出萬(wàn)有引力定律，再到愛因斯坦提出相對(duì)論，各個(gè)時(shí)期的科學(xué)家都把注意力集中在搜集準(zhǔn)確的證據(jù)上。

一個(gè)科學(xué)原理即使經(jīng)過了反復(fù)證實(shí)，也還要不斷地接受驗(yàn)證，新的證據(jù)經(jīng)常會(huì)對(duì)流行的理論提出挑戰(zhàn)。以牛頓物理學(xué)從輝煌到發(fā)現(xiàn)它的局限性為例，1687年，牛頓出版了研究長(zhǎng)達(dá)20年的《自然科學(xué)的哲學(xué)原理》一書。在書中，牛頓從一些基本概念和幾個(gè)運(yùn)動(dòng)定律出發(fā)，使人們對(duì)大自然的了解有了前所未有的擴(kuò)展和統(tǒng)一。特別是在1846年，天文學(xué)家應(yīng)用牛頓的力學(xué)理論計(jì)算出海王星的運(yùn)行軌道，這一成果被譽(yù)為“不必向天上看一眼就發(fā)現(xiàn)了一顆行星”，進(jìn)一步證實(shí)了牛頓理論的客觀性。在當(dāng)時(shí)，科學(xué)界將牛頓物理學(xué)作為終極的絕對(duì)真理接受下來(lái)。但在200多年后的19世紀(jì)末，用牛頓物理學(xué)不能解釋的新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)了。最終，牛頓定律作為愛因斯坦狹義相對(duì)論在宏觀、低速條件下的近似定律而包含在相對(duì)論中。

縱觀人類認(rèn)識(shí)宇宙的歷史，從地心說(shuō)到日心說(shuō)，再到宇宙無(wú)中心論；從經(jīng)典力學(xué)理論統(tǒng)一天地間的一切機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律，到電磁場(chǎng)理論統(tǒng)一電、磁、光的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，再到四種相互作用統(tǒng)一宇宙間的一切自然力；從絕對(duì)時(shí)空觀到狹義相對(duì)論時(shí)空觀，再到時(shí)空幾何化的廣義相對(duì)論時(shí)空觀；從經(jīng)典物理學(xué)的機(jī)械決定論和因果論，到量子力學(xué)的概率描述和統(tǒng)計(jì)因果論……科學(xué)知識(shí)的更新記錄著人類對(duì)客觀世界認(rèn)識(shí)發(fā)展的歷史。

2. 科學(xué)理論是對(duì)自然現(xiàn)象的解釋和對(duì)未觀測(cè)到現(xiàn)象的預(yù)見

科學(xué)以解釋自然現(xiàn)象為目的。科學(xué)對(duì)自然現(xiàn)象解釋的追求，激勵(lì)著一代又一代科學(xué)家對(duì)自然的探索。以對(duì)宇宙中心的研究為例，古希臘的科學(xué)家通過觀察所有的天體都是東升西落的現(xiàn)象，認(rèn)為地球是宇宙的中心，但地心說(shuō)無(wú)法解釋火星的逆行現(xiàn)象。哥白尼提出太陽(yáng)是宇宙的中心，所有天體都繞太陽(yáng)做圓周運(yùn)動(dòng)，解釋了火星逆行現(xiàn)象，但還是解釋不了所有觀測(cè)現(xiàn)象。牛頓的萬(wàn)有引力定律成功地解釋了開普勒通過總結(jié)觀測(cè)事實(shí)得到的行星運(yùn)行規(guī)律，用更加基礎(chǔ)和深刻的科學(xué)規(guī)律支持日心說(shuō)。隨著觀測(cè)技術(shù)和水平的提高，人類目前對(duì)于宇宙中心的推測(cè)是宇宙沒有中心。

教學(xué)內(nèi)容中的概念、定律、公式、法則只是科學(xué)知識(shí)結(jié)論的表現(xiàn)，從科學(xué)知識(shí)的本質(zhì)思考這些教學(xué)內(nèi)容，科學(xué)知識(shí)就與人類探索自然的活動(dòng)結(jié)合起來(lái)，科學(xué)知識(shí)的教育價(jià)值便凸顯出來(lái)。

1. 科學(xué)探索沒有一成不變的固定模式

科學(xué)探索是人類認(rèn)識(shí)世界的過程，世界上沒有一個(gè)簡(jiǎn)單的、一成不變的步驟可供科學(xué)家遵循，沒有一條道路可以確保正確地引導(dǎo)科學(xué)家獲取科學(xué)知識(shí)。但是，科學(xué)探索在依靠證據(jù)、利用假設(shè)和理論、運(yùn)用邏輯推理等方面具有突出的特征，這些特征支持著人類科學(xué)事業(yè)的傳承和社會(huì)的發(fā)展。

在科學(xué)教學(xué)中，教師一般是采用規(guī)范的探究模式引導(dǎo)學(xué)生提出問題、做出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，直至交流展示。這種范式固然可以讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探索的一般過程，但科學(xué)探索絕不是刻板的程序，學(xué)生掌握了科學(xué)探究的技能不等于理解了科學(xué)探索的精神，更不一定能像科學(xué)家一樣思考問題?？茖W(xué)教師需要不斷加深對(duì)科學(xué)探索本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，在教學(xué)中通過回顧歷史或設(shè)計(jì)學(xué)生活動(dòng)，幫助學(xué)生感受和體驗(yàn)科學(xué)探索的過程，避免自以為在帶領(lǐng)學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探索的過程，結(jié)果卻在傳播非科學(xué)甚至偽科學(xué)。

2. 科學(xué)探索是邏輯與想象的結(jié)合

早在公元前300年，希臘數(shù)學(xué)家歐幾里得就從一些定義、公理出發(fā)，通過演繹的方法，建立了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬻w系。此后，在希臘哲學(xué)家發(fā)明的形式邏輯體系以及文藝復(fù)興時(shí)期伽利略應(yīng)用的通過實(shí)驗(yàn)找出自然現(xiàn)象因果關(guān)系的方法的基礎(chǔ)上，科學(xué)家循著這條“發(fā)現(xiàn)的邏輯”推動(dòng)著科學(xué)的發(fā)展。但是，在科學(xué)發(fā)展的歷史上，科學(xué)創(chuàng)造也發(fā)揮著重要作用。有些科學(xué)發(fā)現(xiàn)是依靠提出假設(shè)、發(fā)明理論來(lái)想象這個(gè)世界如何運(yùn)轉(zhuǎn)，然后再解決如何檢驗(yàn)假設(shè)和理論的問題。在科學(xué)教學(xué)中，教師要兼顧“發(fā)現(xiàn)”和“創(chuàng)造”兩個(gè)邏輯，避免忽視后者，造成學(xué)生把科學(xué)看作僅僅由邏輯思維和實(shí)證方法構(gòu)成的“大廈”，而不能通過其他非邏輯思維方式獲得。

愛因斯坦提出廣義相對(duì)論就是最好的證據(jù)。1915年，愛因斯坦提出廣義相對(duì)論及三個(gè)可供實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的推論。1919年天文學(xué)家觀測(cè)到了水星近日點(diǎn)的反常進(jìn)動(dòng)，證實(shí)了愛因斯坦的理論預(yù)言。[3]直到今天，引力波的發(fā)現(xiàn)、獲取黑洞的視覺證據(jù)等還在驗(yàn)證廣義相對(duì)論的預(yù)言。因此，廣義相對(duì)論也被譽(yù)為“人類思想史上最偉大的成就之一”。對(duì)于“假如沒有愛因斯坦，相對(duì)論會(huì)被發(fā)現(xiàn)嗎”這樣的問題，愛因斯坦本人曾表示，如果他沒有提出狹義相對(duì)論，5年之內(nèi)就會(huì)有其他物理學(xué)家提出；但50年之內(nèi)也不會(huì)有人發(fā)現(xiàn)廣義相對(duì)論。

我們從愛因斯坦提出廣義相對(duì)論的探索過程中思考科學(xué)探索的本質(zhì)：科學(xué)探索的過程不僅是邏輯思維和實(shí)證方法的結(jié)合，合理假設(shè)、直覺思維、大膽想象等非邏輯的思維方式在科學(xué)發(fā)現(xiàn)中也發(fā)揮著重要作用。科學(xué)發(fā)展的過程是綜合運(yùn)用各種思維方式探索的過程。

從對(duì)科學(xué)知識(shí)和科學(xué)探索本質(zhì)的思考，反觀我們的科學(xué)教育課堂，其還有很多值得研究的問題，有很大可以發(fā)展的空間?？茖W(xué)課堂需要突出科學(xué)學(xué)科的特點(diǎn)，幫助學(xué)生通過學(xué)習(xí)知識(shí)、體驗(yàn)探究，認(rèn)識(shí)科學(xué)的本質(zhì)，為學(xué)生終身發(fā)展奠定基礎(chǔ)，促進(jìn)人類科學(xué)事業(yè)的傳承和社會(huì)發(fā)展。

1. 科學(xué)教學(xué)是教“科學(xué)”而非“常識(shí)”

“科學(xué)”與“常識(shí)”有著本質(zhì)的不同?！俺ＷR(shí)”一般指普通知識(shí)，是被認(rèn)為正確的結(jié)論。科學(xué)是不斷發(fā)展的人類對(duì)于自然界的認(rèn)識(shí)，它既是一種知識(shí)體系，又是一種認(rèn)識(shí)體系，它反映了思維的邏輯體系。

例如：對(duì)于今天的人類來(lái)說(shuō)，地球是球體已經(jīng)是常識(shí)。但是從科學(xué)的角度思考，人類對(duì)于地球是球體的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的過程。從遠(yuǎn)古時(shí)代的“天圓地方”說(shuō)，直到亞里士多德根據(jù)月食時(shí)月面出現(xiàn)的地影是圓形的，給出地球是球形的第一個(gè)科學(xué)證據(jù)。1622年，葡萄牙航海家麥哲倫帶領(lǐng)的船隊(duì)實(shí)現(xiàn)了環(huán)球航行，證明地球確實(shí)是球形的。1687年，牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中提出萬(wàn)有引力定律，并通過理論研究地球自轉(zhuǎn)對(duì)地球形態(tài)的影響，認(rèn)為地球應(yīng)是一個(gè)赤道略微隆起、兩極略扁平的橢球體。地球形狀的研究引發(fā)人類思考空間的各個(gè)方向是均等的，這也是人類形成科學(xué)時(shí)空觀的重要一步。直到今天，科學(xué)家仍在深入研究地球這個(gè)球體。

教師教科學(xué)，要把科學(xué)家為什么要研究這個(gè)問題的背景描述出來(lái)，明確科學(xué)結(jié)論解釋什么、怎樣解釋自然現(xiàn)象；把科學(xué)家對(duì)于自然或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象的深入觀察和基于證據(jù)的推理過程展現(xiàn)出來(lái)，把科學(xué)家在解決問題過程中應(yīng)用的主要研究方法梳理出來(lái)，把通過研究形成的重要觀點(diǎn)提煉出來(lái)，凸顯蘊(yùn)含在具體科學(xué)知識(shí)中的科學(xué)的本質(zhì)。

2. 科學(xué)教學(xué)要與物對(duì)話、與材料合作、與自然交流

科學(xué)學(xué)科的研究對(duì)象是自然界，是由“物”構(gòu)成的人類生存的現(xiàn)實(shí)世界?？茖W(xué)探索的基礎(chǔ)是仔細(xì)觀察，通過觀察搜集證據(jù)并在此基礎(chǔ)上展開推理和想象。觀察、推理和想象相互作用，觀察支持推理和想象，推理和想象引發(fā)新的觀察。因此，教師應(yīng)不斷拓寬學(xué)生理解科學(xué)的途徑，包括如何與物對(duì)話、與材料合作、與自然交流，如何從研究對(duì)象處獲取信息，學(xué)習(xí)和體驗(yàn)在研究自然的過程中追尋真理。

例如：當(dāng)學(xué)生研究一只昆蟲時(shí)，教師應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生觀察昆蟲的身長(zhǎng)、形狀、顏色，有沒有翅膀，翅膀的形狀，頭的大小、形狀，眼睛、嘴的形狀，足的形狀等，進(jìn)而思考這只昆蟲為什么具有這樣的形狀和特點(diǎn)、與其他昆蟲有哪些區(qū)別、為什么有這些區(qū)別等問題，而不是提出“它叫什么名字”的問題后讓學(xué)生通過閱讀資料獲得答案。

3. 科學(xué)教學(xué)要教“詢問”而非“獲得”

科學(xué)教育的目的是希望學(xué)生在研究自然的過程中能夠產(chǎn)生好奇并提出問題。著名理論物理學(xué)家和物理教育家韋斯科夫指出：“科學(xué)不是死記硬背的知識(shí)、公式、名詞?？茖W(xué)是好奇，是不斷發(fā)現(xiàn)事物和不斷詢問為什么，為什么它是這樣的?？茖W(xué)的目的是發(fā)問，問如何和問為什么。它主要是詢問的過程，而不是知識(shí)的獲得（很可惜多數(shù)人認(rèn)為是后者，而且是這樣教的）?！盵4]

科學(xué)教育的詢問不是教師預(yù)設(shè)的、逼近科學(xué)知識(shí)結(jié)論的系列化問題，而是學(xué)生對(duì)物、材料和自然產(chǎn)生好奇后的發(fā)問。對(duì)于高年級(jí)的學(xué)生，他們還應(yīng)該能夠提出哪些是事實(shí)、哪些是推論、推論是怎樣得到的、歷史上科學(xué)家對(duì)這個(gè)問題有幾種觀點(diǎn)、我為什么相信這個(gè)結(jié)論等問題。

問題是科學(xué)發(fā)展、人類進(jìn)步的階梯，問題也是學(xué)習(xí)的開始和持續(xù)的動(dòng)力。提出問題能力的重要性早已成為教育界的共識(shí)。但反思今天的科學(xué)課堂，我們教學(xué)生如何提出問題了嗎？有多少機(jī)會(huì)給學(xué)生提出問題？教師真的關(guān)注學(xué)生的問題嗎？除去“課下查閱資料”的答復(fù)，教師針對(duì)學(xué)生個(gè)性化的問題是否提供了解釋或解決問題的支持？

不同領(lǐng)域、不同學(xué)科具有不同的育人價(jià)值，綜合起來(lái)構(gòu)成基礎(chǔ)教育課程體系。2017年教育部頒布的普通高中各學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)在前言中明確提出：“學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力?！盵5]我們只有從科學(xué)的高度研究學(xué)科、從科學(xué)本質(zhì)的深度思考教學(xué)，才能真正發(fā)揮科學(xué)和科學(xué)領(lǐng)域各學(xué)科的育人價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳維霞，陳嫻.中學(xué)物理教師科學(xué)本質(zhì)觀的調(diào)查研究與思考[J].物理教師，2014，（6）.

[2]美國(guó)科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì).面向全體美國(guó)人的科學(xué)[M].中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)，譯.北京：科學(xué)普及出版社，2001.

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[4] 趙凱華.從物理學(xué)的地位和作用看對(duì)中學(xué)物理教師的要求[J].大學(xué)物理，2000，（7）.

[5] 教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2017.

注釋：

① 本文系北京市教育委員會(huì)社科計(jì)劃資助項(xiàng)目“在物理教學(xué)中培育物理核心素養(yǎng)研究”（項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：SM201850061001）的研究成果。